推動工廠自動化新變革 微控制器扮要角

作者 : 雅特力供稿

利用MCU的高運算、小體積、低成本優勢,執行硬體設備的通訊、邊緣運算、即時反應和馬達控制等功能,加速推動傳統工廠轉型…

物聯網(IoT)所談論的議題是一個大方向,往應用細分又可分為智慧城市、智慧交通、智慧醫療、工業物聯網(IIoT)等。而工業物聯網和工業4.0的概念密不可分,著重於互連性、自動化、機器學習及即時數據等多方面。工業物聯網是現今除了消費性應用以外,對於實現物聯生活被廣泛使用,涵蓋領域包含整個工業應用。

工廠自動化帶來提升生產效率、品質穩定,並有效解決有限人力的困境。從產線自動化到無人搬運車系統,再加上機器人、機械手臂助力,驅動科技快速發展,然而要實現真正的智慧工廠,卻不是每家企業能夠說到做到。在傳統工廠尚未進行數位轉型前,僅能依照第一線員工分散記錄生產狀況,製作表格整理數據,而管理者憑藉過去經驗和假設做出決策判斷,在這樣耗時地組織整理報告、等待管理者決策,往往耽誤了排除問題的最佳時機。

傳統工廠升級為智慧工廠首要任務,將老舊的機器設備進行可程式化邏輯控制器(PLC)和感測器(Sensor)對接,利用感測器前端採集資料,可視化的設備進行數據分析,透過通訊設備將資料傳輸至控制器做即時監控,最後回傳到雲端管理,形成完整的工業聯網。然而要做到這樣的技術,必須在現有的設備上安裝嵌入式或非嵌入式的聯網設備,利用微控制器(MCU)的高運算、小體積、低成本優勢,執行硬體設備的通訊、邊緣運算、即時反應和馬達控制等功能,加速推動傳統工廠轉型。工業物聯網特性在於擁有靈活高速的通訊網路、快速的分散式運算能力,以及有助提高分析的邊緣運算技術。這些技術能力缺一不可,用於訊號擷取和驅動控制的PLC,與協助工廠設備運作的馬達控制系統,對系統處理的要求上與日俱增,傳統8bit MCU已無法滿足製造商的需求,因此採用32bit MCU達到更好的性能要求(圖1)。

 

圖1:AT32 MCU導入工業物聯網設備應用。

 

目前Arm處理器核心作為一個工業和汽車系統中,高整合、低成本MCU的產業標準,特別是ARM Cortex-M4 32bit MCU,除了繼承Cortex-M3核心優勢,內建數位訊號處理器(DSP),可選擇附加單精度浮點單元(FPU),讓Cortex-M4擁有高精準度複雜的運算能力,且具有可訪問性的優勢,開發人員易進行編寫韌體。

Cortex-M4 32bit MCU能有效改善低延遲、精確度及電力管理等,將傳統MCU功能簡化集中至單一晶片,並提供大容量記憶體,靈活彈性運用,最佳化系統成本,和透過開發軟體平台便於工程設計人員開發,帶來高效能、即時控制、通訊網路、數據分析和安全控制等功能。因此,雅特力推出一系列AT32 MCU系列,以ARM Cortex-M4/M0+ 32bit MCU為發展核心,在運算效能和精準度上做到技術上的突破,以下為AT32 MCU在工業自動化中實現各項優勢。

即時反應和控制

為確保工廠設備安全和機器的連續運作,精確的類比訊號控制為關鍵,必須在規範的時間內控制訊號,透過快速處理大量的數據,做出即時反應和控制。特別是在數十萬轉的馬達驅動應用上,因馬達轉速快電流頻率高、馬達線圈電感小,需要提供高頻、高解析的PWM電壓,方能使馬達高效穩定運轉。例如,雅特力開發AT32F435/437系列採用最高主頻288MHz,支援浮點運算,內建超大容量4,032KB Flash和高達512KB SRAM,讓CPU能以零等待週期訪問(讀/寫)(圖2)。且內嵌自動時脈校準(ACC)模組,ACC可校準高速內部時脈HICK 48MHz,並保證HICK在晶片可操作溫度範圍內的最佳準確度,滿足各種運動控制和智慧控制對高運算力、高精度的需求。

 

圖2:零等待Flash映射區塊。

 

簡化設計降低系統複雜性

AT32 MCU將豐富的周邊如CAN總線、UART、SPI/I2S、ADC、多元用途定時器等周邊元件整合成單晶片系統,透過高階軟體編程進行最佳化設計,建構在彈性的硬體區塊上,針對不同應用需求進行軟體設定,具備可擴充性和系統相容性,降低系統複雜性。除上述多元接口外,包含雙DMA控制器、兼容IEEE-802.3 10/100Mbps乙太網路和USB OTG等,提高資料傳輸效率和可靠性;並建立完整的系統生態鏈,包含開發環境、即時作業系統(RTOS),以及透過雅特力驗證的第三方軟體資源,並符合國際電工委員會(IEC)制定的IEC-60730國際安全標準規範,如此強大豐富的資源及便利性,有助於產品快速開發上市。

大容量記憶體提升靈活性

AT32 MCU可搭配標準規格的擴充板,適用於快閃記憶體編程和運作控制的內建除錯接口,快閃記憶體(QSPI)具備高讀取頻寬,加速高效能嵌入式系統的資料存取及編輯,完成系統的快速編程執行,透過先進製程技術,整合更大容量SRAM 進行數據快取,執行複雜的系統程式碼與彈性應用。AT32F403A/407系列及AT32F435/437系列,提供256~4,032KB Flash、96~512KB SRAM超大記憶體選用,靈活應用於各種工業自動化控制場域,如化工、塑膠、紡織、包裝、印刷、中央空調、環保設備等生產機械設備(圖3)。

 

圖3:AT32 M4/M0+ MCU產品家族。

 

提高能源效率

未來工業化的設備將增加更多控制程式和感測器加強支援安全性,這些都需要大量的運算能力。例如,設備上增加異常檢測功能,在即將發生災難性的故障前,提前進行預防保養,確保設備發生故障時仍能安全地運作,減少工廠停機時間,並增加多種通訊方式。或是在工廠自動化升級中,實現無線抄表和數據傳送功能的低功耗電磁流量計與電流表,節省人力資源和提升效率。

AT32WB415系列採用低功耗藍牙(BLE) 5.0,整合藍牙射頻(RF)收發器與基頻(baseband)功能所組成的無線通訊型MCU,作為工廠建置首選。由於工廠設備需隨時處在連網情況下,能源管理為一大挑戰,須解決低運作功耗和低待機功耗等問題,AT32L021系列將於2022下半年推出,主頻採用72MHz,整合了豐富的周邊,且擴展了1個採樣率高達2Msps的12位元ADC,幾乎所有的I/O接口可容忍5V輸入訊號。適用於高速數據採集、工業及馬達控制,且晶片於待機模式下可達約1μA,深度睡眠模式約20μA的優異功耗表現。

根據Market Research Future分析報告預測,從現在到2023年,物聯網MCU市場的年複合成長率(CAGR)將達12%,屆時年收入將達到近40億美元。工業物聯網的應用多偏重工廠環境設備與大量遠距離感測器的連接,因此需要高速的資料傳輸和數據處理能力同時保持電力低功耗,也是雅特力MCU一直為之努力的方向。

 

 

 

 

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